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网络化控制系统的H∞滤波器设计（本科毕业论文）.doc

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.19M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    第一章 绪 论
    1.1网络化控制系统
    1.1.1网络化控制系统基本概念
    1.1.2网络化控制系统的结构
    1.1.3 网络化控制系统的研究现状和展望
    1.2 滤波器
    1.2.1滤波器原理
    1.2.2 滤波器的研究现状
    1.3 Matlab仿真软件
    1.3.1Matlab仿真软件的简介
    1.3.2 Matlab仿真软件的基本功能
    1.3.3实型变量—sdpvar
    1.3.4求解函数—solvesdp
    1.3.5二维曲线绘制的基本指令
    1.4本文的研究内容
    1.5小结
    第二章 预备知识
    2.1问题描述
    2.2滤波器设计
    2.3本文用到的相关定理
    2.4 Yalmip工具箱介绍
    2.4.1 安装过程
    第三章 网络化控制系统的滤波器设计
    3.1问题描述
    3.2基于网络的滤波器设计
    3.3 Matlab仿真验证
    3.4结论
    第四章 具有干扰的网络化控制系统滤波器设计
    4.1 问题描述
    4.2 滤波器的设计
    4.3 matlab仿真验证
    4.4 结论
    结束语
    致 谢
    参考文献
    ****学***院 毕 业 设 计（论 文） 题 目: 网络化控制系统的 H  滤波器设计 专 业: 自动化 学生姓名: 班级学号: 指导教师: 指导单位: 自动化学院 日期： 年 月 日至 年 月 日
    摘 要 网络化控制系统的特点主要在于网络节点之间的数据不是直接传输，而是通 过网络间接传输。本文分析了目前国内外网络化控制系统及滤波器的应用现状与 发展趋势，采用满足 Bernoulli 分布的序列来描述数据的丢失，针对一类存在数据 包丢失的网络化控制系统，研究其 H  滤波器的设计问题。首先对不存在干扰的 网络化控制系统，设计具有数据丢包的滤波器，使得闭环系统均方意义下指数稳 定；其次对具有干扰的网络化控制系统，设计 H  滤波器，使得闭环系统满足指 定的 H  特性。通过求解线性矩阵不等式方法给出滤波器存在的充分条件。 最后，在基于 Lyapunov 稳定性理论的基础上，利用线性矩阵不等式，提出 了网络控制系统新的稳定性条件和滤波器设计方法。并通过 Matlab 仿真表明设计 方法的有效性。 关键词：网络化控制系统； H  滤波器；数据包丢失；线性矩阵不等式
    ABSTRACT indirect The networked control system which is characterized by the main data transmission between network nodes is not directly transmitted, but through the network. At present, This paper analyzes the application and development trends of the domestic and international network and the filer control system,adopting the sequence of meeting Bernoulli distribution to describe the loss of data.Aiming at the existence of a class of packet loss in the network control system, we study the problem of its H  filter with data loss, making closed loop system exponentially stable in the mean square sense; Second, under the interference of a networked control system, we design H∞ filter, making closed loop system to meet the specific characteristics of H  . Finally, based on Lyapunov stability theory, Using linear matrix inequalities, Network control system is proposed for a new stability conditions and filter design methods. And matlab simulation show the effectiveness of the method. Key words: Networked control systems; H  filter; missing data; LMI
    目 录 第一章 绪 论 ........................................... 1 1.1 网络化控制系统 ................................................. 1 1.1.1 网络化控制系统基本概念 ......................................1 1.1.2 网络化控制系统的结构 ........................................1 1.1.3 网络化控制系统的研究现状和展望 ............................. 2 1.2 H  滤波器 ......................................................3 1.2.1 滤波器原理 ..................................................3 1.2.2 H  滤波器的研究现状 ........................................ 3 1.3 Matlab 仿真软件 ................................................ 4 1.3.1Matlab 仿真软件的简介 ........................................4 1.3.2 Matlab 仿真软件的基本功能 .................................. 4 1.3.3 实型变量—sdpvar ............................................5 1.3.4 求解函数—solvesdp ..........................................5 1.3.5 二维曲线绘制的基本指令 ......................................5 1.4 本文的研究内容 ................................................. 5 1.5 小结 ........................................................... 6 第二章 预备知识 ................................................ 7 2.1 问题描述 ....................................................... 7 2.2 滤波器设计 ..................................................... 7 2.3 本文用到的相关定理 ............................................. 8 2.4 Yalmip 工具箱介绍 ............................................. 9 2.4.1 安装过程 ................................................ 10 第三章 网络化控制系统的滤波器设计 ...................... 12 3.1 问题描述 ...................................................... 12
    3.2 基于网络的滤波器设计 .......................................... 12 3.3 Matlab 仿真验证 ............................................... 15 3.4 结论 .......................................................... 18 第四章 具有干扰的网络化控制系统 H  滤波器设计 ........... 20 4.1 问题描述 ...................................................... 20 4.2 H  滤波器的设计 .............................................. 20 4.3 matlab 仿真验证 ............................................... 24 4.4 结论 .......................................................... 29 结束语 .................................................. 30 致 谢 .................................................. 31 参考文献 ................................................ 32 附录 A .................................................. 34 附录 B .................................................. 36
    南京邮电大学通达学院 2011 届本科毕业设计（论文） 第一章 绪 论 1.1 网络化控制系统 1.1.1 网络化控制系统基本概念 网 络 化 控 制 系 统 也 称 为 网 络 控 制 系 统 ， 即 NCS （ Networked Control System），这个词于 1998 年出现在马里兰大学 Gregory C. Walsh 等人的论著中， 但并没有给出确切的定义，只是用图说明了网络控制系统的结构，是指在网络环 境下实现的控制系统。 NCS 有狭义和广义之分。狭义的网络控制系统是指在某个区域内，把一些现 场监测、控制及操作设备通过通信线路集成起来，构成闭环控制系统。通常所研 究的基于总线技术（如设备网、控制网和以太网等）构架的控制系统可称为一种 狭义上的网络化控制系统。广义的网络控制系统不但包括狭义的网络控制系统， 还包括通过企业信息网络以及 Internet/Intranet 实现的对工厂车间、生产线甚至现 场设备的监控调度、优化等。本书所讨论的仅仅局限于狭义上的 NCS。 1.1.2 网络化控制系统的结构 网络控制系统是指通过一个实时网络构成闭环的控制系统，主要特征是一些 信号，如参考输入、执行器输出、控制输入等，在控制系统的各个部分（如传感 器、控制器、执行器等）之间通过网络进行交换。因此，网络化控制系统的系统 结构是从根本上有别于传统控制系统结构的。图 1-1 所示为网络化控制系统结 构。 控制器 参考输入 网络 执行器 传感器 被控对象 图 1-1 网络化控制系统 1
    南京邮电大学通达学院 2011 届本科毕业设计（论文） 另外，通用系统是以上各种网络化控制系统的综合。网络的参考输入、控制 器参数调整、传感器输出、执行器的输入等数据全部通过网络进行传输，实现了 控制系统的完全的网络化、数字化、综合化，其系统的结构如图 1-2 所示。 参数 网 络 参考输入 控制器 网 络 执行器 被控对象 传感器 图 1-2 通用网络化控制系统 1.1.3 网络化控制系统的研究现状和展望 网络在给系统带来最优控制时也给NCS带来了一些问题，包括：时延采样时 刻和执行器响应时刻间出现了不可忽略的滞后;在某时间间隔内存在于时间相关 的抖动;由于数据包在网络中传输发生丢失或冲突，导致时延增大甚至系统失 稳。NCS的性能不仅依赖于控制策略及控制律器的设计，而且受到网络通讯和网 路资源的限制。数据包丢失(简称丢包) 的一个因素是网络的阻塞和连接中断导 致的。其次由于节点竞争数据发送权需要花费时间，当节点在规定的时间内仍然 未能成功发送数据，则该数据将被丢弃。另外数据在网络传输过程中可能会发生 错误而被要求重发，如果该节点的数据在规定的重发时间内仍然没有成功发送数 据，则该数据包被丢弃。这些事件的发生都可被视为数据包丢失。从系统信息的 传输来看，丢包的发生相当于信息传输通道暂时被断开，使得系统的结构和参数 发生较大的变化。闭环控制系统虽然对系统中结构和参数的变化具有一定的鲁棒 性，但不可避免的造成性能的下降，严重的将导致系统失稳。 在用 Markov 链对 NCS 建模时，都假定状态及其转移概率是已知的，而实际 上 还 存 在 Markov 链 中 状 态 未 知 的 情 形 。 如 何 通 过 HMM （ Hidden Markov Model）来辨识 Markov 状态数及其转移概率是分析和设计 NCS 必须面临的问 题。基于 HMM 的估计理论是处理混杂情况下辨识问题的有力工具，将 HMM 理论 应用于 NCS 也是研究和设计 NCS 的重要方向。NCS 信息调度的研究大多限于单 控制回路，对共享网络的多个控制回路的优化调度等问题需要进一步的研究。考 虑网络利用率、数据包丢失率、系统稳定性等多重约束，建立 NCS 多目标优化的 2
    南京邮电大学通达学院 2011 届本科毕业设计（论文） 数学模型。进而考虑 NCS 的实时性要求，研究 NCS 分级多目标优化问题的求解 方法。 1.2 H  滤波器 1.2.1 滤波器原理 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减 其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声 或进行频谱分析。 广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因 为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特 性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表 甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进 行变换与处理。 本节所述内容属于模拟滤波范围。主要介绍模拟滤波器原理、种类、数学模 型、主要参数、RC 滤波器设计。尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤 波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。 1.2.2 H  滤波器的研究现状 滤波器，其实就是一种对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理 概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时 间起伏变化的过程。该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间 函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间是连续 取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal)。 信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一 个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下， 这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。因 此，这时滤波器可以对控制系统起到优化作用，以减小或消除噪声。但如何设计 一个适当的的滤波器，使具有不确定性的对象满足控制品质，这时 H  滤波的提 3
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